處理器微結(jié)構(gòu)史話
【注：這是經(jīng)過小幅修改擴(kuò)充的版本，刊登在中科院計算所計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實驗室的內(nèi)刊《體系結(jié)構(gòu)國重快訊》上，與《彎曲評論》上已刊登的版本小有不同，帶來閱讀不便表示抱歉。】
1945 年8月6日與9日，廣島和長崎兩座日本本土城市先后在驚天動地的原子彈爆炸中被毀滅，核武器由此首次步入公眾視野。全世界都被那兩朵巨大蘑菇云的威力所震 懾。這兩道重?fù)粢仓苯哟輾Я巳毡咀詈蟮牡挚挂庵荆恢芎蟮?月15日，日本宣布無條件投降，在人類歷史上寫下最慘痛一頁的第二次世界大戰(zhàn)終于結(jié)束。核武器 橫絕古今沛然莫御的威力，使得它成為戰(zhàn)后制衡國際局勢的一大王牌，對它的研究和制造在戰(zhàn)后仍然未曾停息。而我們這一系列連載故事的主角，盈盈棲息于指尖之 上，不過毫厘見方的微型處理器，和這兩朵摧枯拉朽的蘑菇云其實有著千絲萬縷的聯(lián)系。
（圖注：兩次原子彈爆炸的照片，來自維基百科。）
半 年過后的1946年2月14日，戰(zhàn)時處于嚴(yán)格保密狀態(tài)的第一臺通用電子計算機(jī)ENIAC，首度被公之于眾。這臺27噸重的龐然大物原先被設(shè)計用于加快火力 彈道計算，但它新穎的設(shè)計架構(gòu)和全新的構(gòu)造方式迅速吸引了戰(zhàn)時核武器研發(fā)中心——美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的注意。
由“原子彈之父”羅伯特·奧本海姆坐鎮(zhèn)主管的洛斯·阿拉莫斯實驗室早在1943年左右就開始嘗試使用人力搭配計算器的方法對核武器進(jìn)行理論分析。然而洛斯·阿拉莫斯實驗室很 快就發(fā)現(xiàn)這種工作模式完全不能勝任對計算能力的需求，于是轉(zhuǎn)向了半自動化的穿孔卡帶式計算器，可惜這種基于穿孔卡帶的計算操作也極其繁瑣，與先前的人力計 算相比只是半斤對八兩的區(qū)別。當(dāng)時正在洛斯·阿拉莫斯實驗室參與核武器研發(fā)的著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾提議，在人力計算組和半自動化的穿孔卡帶組之間進(jìn)行一次計 算速度比賽，結(jié)果兩組人馬在前兩天時間里難分伯仲，第三天時人力計算組開始疲憊纏身，而機(jī)器仍不知休止，于是才告勝出。當(dāng)洛斯·阿拉莫斯實驗室轉(zhuǎn)向氫彈的 設(shè)計分析時，計算能力的不足變成了更大的瓶頸。核武器的設(shè)計完全不同于以往的任何一項軍事工程研究，進(jìn)行一次核試驗就要承擔(dān)鋪天蓋地的政治壓力和足可斷金 裂石的輿論譴責(zé)，因此核爆不可隨意進(jìn)行，其次，核爆過程中產(chǎn)生的超高溫和超高壓幾乎沒有其他可行手段能夠復(fù)制，即便能夠復(fù)制，在這種極端條件下所能使用的 觀測手段也寥寥無幾，因此試驗在絕大多數(shù)情況下只能交由計算機(jī)進(jìn)行模擬分析。核爆炸模擬需要科學(xué)家們將核爆反應(yīng)“碎片化”，在空間上將核爆模擬區(qū)域切片， 在時間上將核爆過程細(xì)分，用遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于真實核爆速度的步伐，逐一重現(xiàn)核爆當(dāng)中各個區(qū)域在各個時間點(diǎn)上的狀態(tài)。這一過程需要極快的計算速度才能讓模擬耗時和精 度達(dá)到要求，當(dāng)時的穿孔卡帶計算機(jī)已經(jīng)無法滿足需要，而具備每秒5000次加減法運(yùn)算，400次乘除法運(yùn)算能力的ENIAC進(jìn)入洛斯·阿拉莫斯實驗室的視 野也就是順理成章的事情了[1]。遠(yuǎn)高于人力的計算速度使得基于機(jī)器模擬的核爆炸研究初露端倪，身為第一臺通用電子計算機(jī)的ENIAC義不容辭地承擔(dān)起了 氫彈的研制任務(wù)，在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與處理器微結(jié)構(gòu)的開山鼻祖馮·諾依曼的牽頭下，測試氫彈設(shè)計可行性的程序在戰(zhàn)后被提交給ENIAC作為測試程序運(yùn)行。也 是從這一刻開始起，早期計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和處理器微結(jié)構(gòu)的高性能進(jìn)化便在核武器研發(fā)以及其他科學(xué)計算的需求澆灌下開出了萌芽。
（圖注：左側(cè)為John Mauchly，右側(cè)為Presper Eckert，中間是 Gladeon Barnes將軍，三人正在審閱ENIAC維護(hù)記錄。）
與 ENIAC一道，在登臺伊始就受到各界矚目的，還有親手為ENIAC加冕“第一臺通用電子計算機(jī)”之耀眼王冠的兩位主要設(shè)計者John Mauchly和J. Presper Eckert。在ENIAC項目上馬前，John Mauchly還在賓夕法尼亞大學(xué)進(jìn)行短期進(jìn)修，擔(dān)憂著自己的教職申請能否通過，另一位J. Presper Eckert當(dāng)時則正在賓大讀研，大概誰也沒有想到，波及人類社會每一個角落的數(shù)字化革命竟是由這兩位原本無足輕重的人物揭開了序幕，對電子計算設(shè)備的狂 熱令年齡差距十二歲的兩人一見如故，從此成為終生戰(zhàn)友，上天的垂青令這對天才搭檔只花了四五年時間就由籍籍無名而聲名鵲起。ENIAC的存在解密之 后，John Mauchly和J. Presper Eckert迅速成為光芒耀眼的學(xué)術(shù)超新星。在日后載入史冊的賓夕法尼亞大學(xué)摩爾系列講座中[2]，這兩位儼然大師風(fēng)范，擔(dān)當(dāng)了大約三分之一課程的講授工 作，而講臺下的學(xué)生，則是包括信息論之父Claude E. Shannon在內(nèi)的一批頂尖科學(xué)家與工程師，其地位顯赫可見一斑。可惜的是,賓大當(dāng)時的主事者對校內(nèi)科研接受外部公司的研究資助一事感到擔(dān)憂，竟試圖逼 迫二人簽署新的專利協(xié)議，將ENIAC的專利交予學(xué)校之手，這一不可原諒的愚蠢舉動最終成為將二人逼離賓大的導(dǎo)火索[3]。
（圖注：John Mauchly在賓大電子工程學(xué)院的教室中。圖片來源于Mauchly的妻子所撰寫的回憶。）
曾 經(jīng)是ENIAC誕生溫床的大學(xué)校園，此時卻成為逼迫John Mauchly和J. Presper Eckert背水一戰(zhàn)的修羅場。沒有深思熟慮的商業(yè)計劃，二人于1946年匆忙下海創(chuàng)辦了Eckert–Mauchly Computer Corporation (EMCC) 公司。久居象牙塔的學(xué)者與商戰(zhàn)中搏殺的豪雄畢竟不同，EMCC不出意外地命途多舛，在缺乏資金，經(jīng)營不善以及厄運(yùn)連連[4]中掙扎了三年后，這家事后被追 認(rèn)為是第一個專門售賣通用電子計算機(jī)的公司，沒能完成任何一次成功的商業(yè)的嘗試就被Remington Rand公司收購，成為了Remington Rand集團(tuán)中負(fù)責(zé)開發(fā)新一代計算機(jī)的UNIVAC部門。隨著這次收購，John Mauchly和J. Presper Eckert這兩面大旗也被Remington Rand一同招安。
在新東家的資助下，沒過多長時間，UNIVAC團(tuán)隊的通用電子計算機(jī)商 業(yè)化嘗試就開始開花結(jié)果，在EMCC進(jìn)行的前期工作得到Remington Rand的助力后破繭成蝶，一臺被稱為UNIVAC I型的里程碑式計算機(jī)于50年代初橫空出世，作出了通用電子計算機(jī)在商業(yè)舞臺上的首秀，它運(yùn)行的程序成功預(yù)測了次年美國總統(tǒng)大選結(jié)果[5]，這次事件令 UNIVAC I一炮而紅，為新東家做了一個極好的廣告宣傳，也為John Mauchly和J. Presper Eckert已經(jīng)大紅大紫的名聲再度錦上添花。起初定價僅有16萬美元的UNIVAC I供不應(yīng)求，以至于后來價格抬升了幾乎十倍。
（圖注：Eckert正在向CBS的新聞節(jié)目主持人介紹UNIVAC I. 坐在控制臺前的是一位名叫 Harold Sweeney的程序員。）
但，歷史不會讓這兩位已經(jīng)享受了諸多殊榮的傳奇人物專美于前。處理器微結(jié)構(gòu)的史詩剛剛開端就迎來了第一個拐點(diǎn)。
Remington Rand收購EMCC之后數(shù)月，一只來自明尼蘇達(dá)州圣保羅市的團(tuán)隊也被Remington Rand收編，與UNIVAC團(tuán)隊形成雙雄鼎立之勢。這支團(tuán)隊名為Engineering Research Associates，其骨干成員以William C. Norris為代表，是一批來自二戰(zhàn)時期美國海軍密碼破譯團(tuán)隊的科學(xué)家和工程師，ERA創(chuàng)立過程中甚至得到過時任美國海軍元帥Nimitz的出面幫助，來 頭不可輕視。一山難容二虎，ERA與UNIVAC兩支團(tuán)隊在公司內(nèi)部形成了公開的競爭關(guān)系，UNIVAC的成員們以Mauchly和Eckert為代表， 出身于世人矚目的常春藤盟校，是典型的學(xué)院派，ERA的成員們則大多來自稍顯平庸的明尼蘇達(dá)大學(xué)，身為ERA領(lǐng)導(dǎo)者之一的Norris在內(nèi)布拉斯加大學(xué)電 子工程專業(yè)畢業(yè)后，甚至曾一度在老家農(nóng)場賣牲口[6]。這些人普遍沒有接受過最頂尖的教育，但是在為海軍與ERA工作期間獲取了大量的工程經(jīng)驗，是典型的 工程師隊伍。兩支團(tuán)隊在出身上的巨大反差令UNIVAC充滿優(yōu)越感，UNIVAC團(tuán)隊不以為意地以“工廠”“農(nóng)夫們”這樣的詞匯來指代ERA團(tuán)隊，似乎在 UNIVAC的眼中，賓夕法尼亞人的工作就是探索最前沿的理論，至于建造實際可工作的機(jī)器，則應(yīng)該交給更低等的明尼蘇達(dá)人。Eckert曾非常直白而粗魯 地對Norris說：ERA完全不具備創(chuàng)新能力[7]。種種蔑視令ERA的成員們感到異常窩火。然而站在ERA的角度上看，UNIVAC渾身上下也沒幾處 順眼。ERA團(tuán)隊雖為Eckert精湛的學(xué)識感到驚艷，但同時也震驚于UNIVAC團(tuán)隊對工程規(guī)則的無知。在ERA團(tuán)隊設(shè)計的1103型計算機(jī)接近完成 時，Eckert仍然在嘗試說服工程師們引入新的理論，這讓ERA團(tuán)隊感到震驚，難道UNIVAC團(tuán)隊進(jìn)行工程設(shè)計的時候完全不顧deadline的么？ 駭人聽聞的是，他們竟然真沒看走眼。通用電氣公司向Remington Rand訂購了一臺UNIVAC I計算機(jī)，并籌劃了與之配套的一系列媒體報道來造勢，試圖證明自己是一個追逐前沿技術(shù)，位于浪潮之巔的公司。不想UNIVAC團(tuán)隊一再更改設(shè)計，把本該在 兩周內(nèi)交付的輸入輸出設(shè)備拖延了兩年之久，令通用電氣大發(fā)雷霆。過度苛求設(shè)計完美，忽視工程Deadline，還只是問題的一部分。未經(jīng)歷過殘酷市場競爭 的UNIVAC團(tuán)隊對報價與預(yù)算毫無概念，UNIVAC的研發(fā)超支達(dá)到近乎荒唐的五倍之多，而UNIVAC I計算機(jī)極其低劣的運(yùn)作可靠性也與ENIAC一脈相承。Norris終于發(fā)現(xiàn)，兩支團(tuán)隊的區(qū)別其實已經(jīng)深入到哲學(xué)的層面。Norris對賓夕法尼亞人 說：“ERA在經(jīng)營公司，而你們經(jīng)營的是實驗室”。
除了來自UNIVAC團(tuán)隊的貶低，Remington Rand管理層對通用電子計算機(jī)商業(yè)前途的遲鈍也在消磨著ERA團(tuán)隊的耐心。時至1956年，這個領(lǐng)域里的幾乎每一個公司都已經(jīng)意識到通用電子計算機(jī)將是 下一片廣闊的藍(lán)海。而原本處于行業(yè)領(lǐng)先地位的ERA團(tuán)隊卻無法從公司管理層獲得足夠的研發(fā)支持。IBM研發(fā)一系列新機(jī)器的動作送出了一個明顯的信號，這艘 幾乎無人可敵的企業(yè)巨艦正在朝著這片藍(lán)海開進(jìn)。Norris等人終于按耐不住了，他們攜帶一部分ERA團(tuán)隊成員出走，自籌資金在明尼蘇達(dá)州東南部城市明尼 亞波利市的一間舊倉庫里創(chuàng)辦了Control Data Corperation，縮寫CDC。
（圖注：八年后的CDC CEO Norris與使用早期CISC體系結(jié)構(gòu)的CDC 3600。圖片來源www.computerhistory.org ）
開創(chuàng)歷史的力量用這種奇妙的方式完成了從Eckert–Mauchly到CDC的轉(zhuǎn)移。
賓 夕法尼亞人做夢也沒想到，低等生物明尼蘇達(dá)人竟然強(qiáng)橫到敢于直面IBM的劍鋒。賣牲口的Norris賣起電腦來比Mauchly和Eckert實在強(qiáng)出一 籌不止。這個在初期募資時低賤到1美元1股的CDC，一度困難到只能使用次品晶體管作為原材料，卻成為Norris手中令I(lǐng)BM俯首稱臣、縱橫馳騁了整個 60年代的王牌部隊。CDC技術(shù)團(tuán)隊一手締造了世界上第一臺超級計算機(jī)CDC 6600，基于記分板（Scoreboarding）技術(shù)第一次實現(xiàn)了指令的亂序執(zhí)行，第一次大范圍地利用多個功能單元實現(xiàn)超標(biāo)量執(zhí)行，為今日的現(xiàn)代高性 能處理器微結(jié)構(gòu)繪制了第一份藍(lán)圖，迫使IBM的掌門人Thomas J. Watson無可奈何地寫下了流傳后世的“守門人備忘錄”……
而站在Norris身后充當(dāng)“里子”，創(chuàng)造這些不世傳說的人，就是當(dāng)時ERA團(tuán)隊中一位來自明尼蘇達(dá)大學(xué)的天降奇才。在CDC創(chuàng)立之時想要追隨Norris而去的他，還因為擔(dān)憂美國軍方的特別關(guān)注而不得不暫留Remington Rand。
[To be continued.]
注釋與參考文獻(xiàn)
[1]洛斯·阿拉莫斯實驗室能夠緊緊跟隨著賓夕法尼亞大學(xué)、芝加哥大學(xué)，哈佛大學(xué)等地的早期計算機(jī)研究進(jìn)展，這在很大程度上歸功于馮諾依曼的牽線搭橋。據(jù)洛斯·阿拉莫斯實驗室的成員回憶，馮諾依曼當(dāng)時為多個政府項目充當(dāng)顧問，在各個項目之間傳遞信息，忙碌得“好像在同一時間出現(xiàn)在許多地方”。
[2]這個系列講座英文原名Moore School Lectures，它將設(shè)計電子計算機(jī)的第一手經(jīng)驗傳播了出去，對后世帶來了深遠(yuǎn)影響。值得注意的是，這個Moore與Intel的Gordon Earle Moore并無關(guān)系。這個“Moore”代表賓夕法尼亞大學(xué)的摩爾電子工程學(xué)院 Moore School of Electrical Engineering
[3]根據(jù)J. Presper Eckert與Nancy Stern在1977年所做的采訪記錄， 逼迫二人簽訂新的專利協(xié)議背后似乎并沒有搶奪成果用于商業(yè)目的的動機(jī)，Nancy Stern多次追問這一點(diǎn)，但是Eckert并未給予確認(rèn)。此外，Eckert在訪談中透露，他并非如外界傳聞那樣是從賓大主動辭職，而是被炒了魷魚，只 不過有一封假裝“同意辭退”的禮貌信件用以掩人耳目。
[4]根據(jù)Jean Bartik的回憶，EMCC的員工被指控有“共產(chǎn)主義傾向”，這在麥卡錫主義盛行的年代導(dǎo)致EMCC失去了大批政府訂單。
[5]機(jī)器預(yù)測選票結(jié)果為438 vs 93，實際結(jié)果為442 vs 89，相當(dāng)接近。
[6]Norris 的經(jīng)營天賦在賣牲口中得到了很好的體現(xiàn)。Norris在老家農(nóng)場期間正值美國經(jīng)濟(jì)大蕭條和中西部旱災(zāi)，牲口沒有谷物可以吃，收購商則趁機(jī)壓低牲口價格。 Norris決定冒險，讓牲口以俄國薊（Russian thistles）為食，成功地將牲口養(yǎng)至高價出售。
[7]"ERA’s creative capabilities simply didn’t exist".出自Charles J. Murray所寫的《The Supermen – Story of Seymour Cray and the Technical Wizards Behind the Supercomputer》
轉(zhuǎn)載自：破布的博客
